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3D打印制备核素分布高度均匀的弥散型核燃料芯块的研究

 
【摘要】:随着人口的增长和经济的高速发展,传统能源已经不能满足人类生产生活的需要,化石能源面临枯竭。同时在传统化石的能源的使用过程中,不可避免地会排放二氧化碳和氮氧化合物等有害气体,这是造成环境污染的主要原因,为了深入贯彻可持续发展的理念必须寻找新的替代能源。核能是一种清洁安全的能源,也是目前最具潜力的一种新能源,与传统化石能源相比,核能具有能量密度高、零碳排放、储量丰富等优点。然而,在核能的使用过程中会产生大量高放乏燃料,其中对环境危害最大的是237Np、241Am、243Am、244Cm、245Cm次锕系核素(MA)和137Cs、90Sr、99Tc、147Pm等裂变产物,若不加以安置处理对环境危害极大。目前分离嬗变是公认的最有效的处理乏燃料的方法,我国的ADS工程具有的很强的嬗变能力,可以将乏燃料中的长寿命放射性核素转变为短寿命核素甚至无放射性核素。由于ADS反应堆具有高中子通量和更硬的中子能谱,对核燃料的要求更高,大量研究表明,弥散型核燃料更能满足ADS嬗变次锕系核素核燃料的要求。将核燃料颗粒均匀地弥散分布在导热系数高的惰性基体材料中,发生核反应时,基体材料可以及时地传递出裂变能,降低了核燃料中心地温度。与此同时,基体材料可以有效地容纳裂变碎片和裂变气体,维持核燃料芯块的结构不变,使得核燃料达到较大的燃耗深度。因此,开展弥散型核燃料的制备研究有利于我国实现乏燃料嬗变和核工业可持续发展。与传统核燃料不同,弥散型核燃料是由燃料相和基体相组成,传统制备弥散型核燃料都是使用粉末冶金法,首先制备燃料微粒,再将燃料颗粒和惰性基体材料粉末机械混合冷压成型,最后高温烧结得到燃料芯块。由于燃料相和基体相材料的差异,通过这种方式制备出的弥散型核燃料内的燃料分布必定是随机的。在芯块中,每一个核燃料颗粒都是一个热源,核素分布的不均匀性会在反应堆的热工、中子以及核燃料的结构性能上带来诸多不确定因素。因此,本文采用一种新的制备方法,将3D打印技术和弥散型核燃料的制备相结合,采用不同的3D打印技术,设计并制作核素分布高度均匀的弥散型核燃料。本文的研究内容包括:1.搭建组装基于毛细管的微流体控制装置,以氧化镁粉末为原料,利用聚乙烯醇-硼酸凝胶反应体系,制备出氧化镁凝胶微球,并探究凝胶微球粒径和球形度的影响因素。最后制定合适的烧结曲线,得到可用于制备弥散型核燃料的氧化镁微球。2.将选择性激光烧结技术应用于弥散型核燃料的制备,设计一条制备路线。使用PA12作为有机粘合剂,确定粘合剂和和氧化镁微球的最佳配比,制作出核燃料初胚。探究了激光参数对初胚的影响,并确定了最佳激光烧面参数,根据粘合剂的特性,制定脱脂和烧结升温曲线。3.引入立体光刻技术,利用紫外光固化制备弥散型核燃料,分析了氧化镁粒径对氧化镁浆料粘度的影响,制作出低粘度高含固量的氧化镁浆料。采用合适的后处理方法,制备出高密度的核燃料芯块。4.从芯块的微观结构、核素分布和密度方面,比较传统粉末冶金法、选择性激光烧结技术和立体光刻技术,确定弥散型核燃料的最佳制作方法以及对应的工艺参数。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TL352;TP391.73

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